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申请/专利权人：北京理工大学

摘要：本发明提出了一种基于粒子群的二维衍射波导显示系统及其均匀性优化方法，能够实现出瞳照度和角照度的均匀性。本发明基于粒子群算法的光栅设计优化方法，通过建立适应度函数，将不同视场的衍射效率值约束到理想效率值，利用粒子群算法调用严格耦合波理论RCWA优化光栅参数，通过不断的迭代最终收敛到最优的光栅结构参数。最终实现了在不同的入射角和方位角下，光栅的衍射效率能保持在稳定状态，进一步确保了波导的照度均匀性。

主权项：1.一种基于粒子群的二维衍射波导显示系统，其特征在于，包括入耦合光栅、扩展光栅、出耦合光栅以及波导片；入耦合光栅将光衍射进波导片中以全反射方式向前传播；扩展光栅分为两个部分，每个部分又划分为四个子区域，出耦合光栅划分4个区域；入耦合光栅衍射光传播到两个部分的第一个扩展光栅子区域后被衍射为R-1级和R0级，R0级向出耦合传播，扩展光栅其他子区域存在R1级次和R0级次，其中R0级次继续沿原方向传播，R1级衍射光向出耦合传播；出耦合光栅接收来自扩展光栅的R0级和R1级光，R0级次在出耦合光栅中沿原行进方向继续传播，衍射R-1级光从波导出射进入人眼；入耦合光栅和出耦合光栅的光栅周期相等；构建能量传播进程的照度均匀性评价模型，利用非序列光线追踪优化多区域光栅的衍射效率，实现波导整体照度均匀性分布；结合粒子群优化算法和严格耦合波理论对各区域的光栅结构参数进行优化，实现衍射效率在不同视场下的均匀分布；对各区域的光栅结构参数进行优化的具体方式为：把光栅的倾斜角、调制深度和填充比三个结构参数作为优化粒子的参量，调用RCWA计算不同视场下光栅的衍射效率值，并将此值与设定目标值的差值作为评价粒子优劣的标准；每一个粒子的位置由需要优化的参量组成的三维向量，粒子的速度是每一轮迭代中粒子位置的改变量；通过不断调整粒子位置和速度，最终在搜索范围内找到最优的一组粒子，从而优化得到稳定衍射效率的光栅参数；出瞳均匀度定义为不同出瞳位置在同一视场下的均匀度，角度均匀度定义为出瞳相同位置下不同视场的均匀度；依据能量沿光线传播进程建立数学模型，结合非序列光线追迹和能量均匀分布模型对衍射波导各光栅子区域的衍射效率进行算法优化，实现各个子区域的能量均匀分布，通过各子区域衍射效率渐变调控，实现出瞳照度均匀和角度照度均匀；分别建立出瞳照度均匀性和角度照度均匀性评价标准及优化目标约束限制： 优化过程中，将不同各区域的衍射效率作为变量，对出瞳均匀性值和角度均匀性值进行权衡，利用非序列光线追迹对同一视场的不同出瞳位置和不同视场的同一出瞳位置进行采样优化；其中η1，η2为不同区域下两个不同衍射级次的衍射效率，Pmaxη1，η2和Pminη1，η2分别为同一视场在不同衍射效率下不同出瞳位置处波导的最大和最小照度值，Γp为波导的出瞳均匀性值；Amaxη1，η2和Aminη1，η2分别为同一出瞳位置处在不同衍射效率下不同视场处波导的最大和最小照度值，ΓA为波导的角度均匀性值，w为权重系数；其中η1、η2分别为ΓP和ΓA的的变量，η1、η2的改变会影响传播光在不同区域的能量分配，改变η1、η2即对不同区域传播光能量进行改变，进而影响到出瞳位置出射光的能量，将不同能量分布转化为照度分布，即出瞳照度Pη1，η2和角度照度Aη1，η2；分别将各照度值最大和最小值分别带入Γp和ΓA的公式即可以求出出瞳照度和角度照度均匀性值；在将ΓP和ΓA的值带入到Epupil_error和Eangular_error的公式中，用以约束各照度均匀性；当此约束达到最小值时，各区域不同级次的衍射效率即达到最佳衍射效率值，保证波导的出瞳照度和角度照度均匀。

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百度查询： 北京理工大学 基于粒子群的二维衍射波导显示系统及其均匀性优化方法